拓展可穿戴、IoT設(shè)計(jì)差異化，從DSP內(nèi)核看起

在物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)會(huì)是多種多樣的。無論是可穿戴產(chǎn)品、智能家居、汽車電子、消費(fèi)電子或是工業(yè)物聯(lián)等領(lǐng)域，在對(duì)IoT產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，確保產(chǎn)品多樣性和個(gè)性差異化是每個(gè)電子設(shè)計(jì)師時(shí)常思考的問題。日前，DSP內(nèi)核和硅(Silicon)IP授權(quán)的主要廠商，美國思華科技(CEVA)在其技術(shù)論壇上給出了對(duì)于IoT市場的平臺(tái)架構(gòu)策略以及對(duì)于IoT產(chǎn)品差異化的設(shè)計(jì)建議。

CEVA市場營銷副總裁Eran Briman表示，“作為市場份額第一的DSP IP廠商，全球范圍內(nèi)已有超過55億顆基于CEVA技術(shù)的芯片被廣泛應(yīng)用于各類市場，超過250家業(yè)界領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)，如博通(Broadcom)、瑞薩(Renesas)、三星、以及中國領(lǐng)先的公司，如瑞芯微(Rockchip)、展訊(Spreadtrum)、中興通訊(ZTE)等都采用了CEVA授權(quán)的DSP或IP內(nèi)核，并應(yīng)用到各行各業(yè)的電子產(chǎn)品中。隨著可穿戴、IoT行業(yè)的興起，很多知名產(chǎn)品也都采用CEVA授權(quán)的IP。我們關(guān)注到IoT技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：互聯(lián)(Connectivity)、傳感(Sensing)、處理(Processing)，每個(gè)環(huán)節(jié)有著不同層面的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，需要更靈活、可擴(kuò)展、低功耗的架構(gòu)來滿足多樣化和差異化的市場需求。”

互聯(lián)：如何靈活適應(yīng)多種連接技術(shù)?

IoT時(shí)代的產(chǎn)品所需具備的最基本特性就是互聯(lián)互通性，該層面的挑戰(zhàn)也來自于越來越多的連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所帶來的困擾。Eran Briman表示，“對(duì)于不同地域、不同行業(yè)、不同產(chǎn)品所使用的連接標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，下一代的產(chǎn)品可能在兼容上一代連接技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需要增添新的連接技術(shù)。所以在連接層面，具備靈活性、可擴(kuò)展性、模塊化，可隨需求定制的平臺(tái)來支持各類標(biāo)準(zhǔn)十分重要。”

CEVA給出其IoT連接層面的模塊化平臺(tái)架構(gòu)建議，包括Wi-Fi、藍(lán)牙、通用硬件加速模塊，以及其Teaklite-4的DSP內(nèi)核(圖1)。“該平臺(tái)具有靈活可擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，Teaklite-4可以針對(duì)不同的連接標(biāo)準(zhǔn)來適配，完成來自不同物理層的處理，針對(duì)不同設(shè)計(jì)可以隨意去除某個(gè)模塊設(shè)計(jì)，如去掉Wi-Fi模塊，而對(duì)整體構(gòu)架不造成影響。對(duì)快速的原型開發(fā)更為有益，” Eran Briman介紹道，“在數(shù)月前，通過并購RivieraWaves公司，CEVA擁有了自己(in-house)的Wi-Fi、藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙 (BLE) 連接性平臺(tái)IP的完整解決方案。再加上CEVA和合作伙伴共同提供的Zigbee(802.15.4)和PLC方案，使CEVA的連接構(gòu)架可以支持IoT設(shè)備目前主流的幾大連接技術(shù)。”

Eran Briman進(jìn)一步介紹道，“CEVA目前的Wi-Fi平臺(tái)是業(yè)界小尺寸、低功耗解決方案的標(biāo)桿。有適用于穿戴式設(shè)備的低功耗、價(jià)格敏感的Wi-Fi解決方案，也有支持包括智能手機(jī)、智能電視等消費(fèi)類電子的Wi-Fi方案。更有支持高數(shù)據(jù)吞吐的網(wǎng)關(guān)Wi-Fi方案。在藍(lán)牙方面，CEVA藍(lán)牙平臺(tái)包括有應(yīng)用于穿戴式設(shè)備的Bluetooth 4.x 單模/BLE方案，也有適合智能終端產(chǎn)品的多模方案。 在通信領(lǐng)域，CEVA已在3G/4G-LTE基帶領(lǐng)域擁有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，CEVA也希望通過此次收購，把優(yōu)勢(shì)延續(xù)到其它的連接技術(shù)中，使半導(dǎo)體客戶可以通過CEVA把更多連接技術(shù)，如將Wi-Fi、Bluetooth納入到單顆SoC設(shè)計(jì)中，這也符合芯片集成度提升的趨勢(shì)。”

傳感：如何發(fā)揮低成本傳感器價(jià)值?

傳感能力是IoT設(shè)備所需具備的第二特性。據(jù)Eran Briman介紹， “在這個(gè)層面，功耗控制和處理能力顯得尤為重要。IoT設(shè)備發(fā)展至今所具備感知環(huán)境的能力也大大增加，很多設(shè)備集成了大量的傳感器，所需處理的傳感器數(shù)據(jù)也呈指數(shù)上升。但同時(shí)隨著成本壓力的上升，如何能更好的發(fā)揮出低成本、低功耗傳感器的價(jià)值也值得探討。”

通常低成本、低功耗傳感器的傳感精度低、噪聲水平較高，對(duì)系統(tǒng)，尤其是功耗水平的控制和處理能力的增強(qiáng)，提出了更高要求。為此Eran Briman表示，“對(duì)于CEVA而言，一方面平臺(tái)要融合更多的傳感器，增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的感知，同時(shí)也要通過DSP提升處理能力，來更好的處理這些傳感器數(shù)據(jù)。包括像麥克風(fēng)、攝像頭等較復(fù)雜的音視頻傳感器，對(duì)DSP在降噪、圖像增強(qiáng)等方面的處理能力的要求也更高。當(dāng)然對(duì)于IoT設(shè)備，特別是可穿戴產(chǎn)品需要永遠(yuǎn)工作(Always-On)，也就意味著傳感器會(huì)隨時(shí)感應(yīng)(Always-Sensing)，把功耗控制降到最低是另一個(gè)至關(guān)重要的方面。CEVA提出基于單顆DSP的多傳感器技術(shù)，不但可以從硬件上支持多種傳感器，可以與AP交互，同時(shí)軟件層面通過合作，也可提供包括傳感器融合(Sensor Fusion)、語音觸發(fā)(Voice Trigger)、手勢(shì)識(shí)別、臉部識(shí)別的眾多解決方案以及CEVA自己提供的BLE Beacons的解決方案。其中，更值得關(guān)注的是，在28 nm HPM應(yīng)用案例中，同時(shí)運(yùn)行Always-on、Sensor Fusion、語音觸發(fā)、臉部識(shí)別和BLE的情況下，功耗仍能控制在小于150uW的水平，完全可勝任穿戴式產(chǎn)品Always-on的功耗要求。”

處理：IoT設(shè)備需要怎樣的處理能力?

具備處理能力是使IoT設(shè)備擁有智能的關(guān)鍵。IoT數(shù)據(jù)在哪里進(jìn)行處理，是一個(gè)困擾設(shè)計(jì)人員的兩難話題。Eran Briman 表示，“以往我們都覺得對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力通常由云端來完成，但發(fā)展經(jīng)驗(yàn)證明IoT設(shè)備自身擁有本地處理能力(Edge Processing)變得越來越重要?；旧蠈?duì)于輕量級(jí)處理量、小規(guī)模數(shù)據(jù)庫、涉及安全/隱私信息、低延時(shí)需求、上傳到云端會(huì)增加功耗開銷等情況下，更傾向于在本地設(shè)備端(Local)處理數(shù)據(jù)，相反對(duì)于大數(shù)據(jù)庫搜尋、機(jī)器學(xué)習(xí)、非隱私性信息則傾向于云端處理。”但事實(shí)上，對(duì)于如何合理分配處理能力并同時(shí)平衡功耗、效率等問題往往要復(fù)雜的多。”Eran Briman進(jìn)一步給出意見，“功效第一和分層處理是關(guān)鍵。首先把處理需求分層，從底層往上，決策邏輯、DSP、包涵CPU/GPU的SoC、再到與云端對(duì)接。通過這種分層來選擇合適的解決方案應(yīng)對(duì)具體的處理需求，才能達(dá)到更好的功耗與性能平衡。當(dāng)然實(shí)際設(shè)計(jì)起來仍將會(huì)是一個(gè)需要妥協(xié)的問題。”

針對(duì)不同處理需求，CEVA提出IoT整體的參考設(shè)計(jì)方案(圖2)，包括有CEVA提供的互連互通方案平臺(tái)、針對(duì)Always –on Sensor 處理的CEVA-TL410 DSP核與平臺(tái)、適合語音分析的本地DSP核和處理平臺(tái) CEVA-TL421，以及適合計(jì)算機(jī)視覺、視頻處理的本地DSP核和處理平臺(tái)CEVA-MM3101。

特別值得一提的是對(duì)于圖像和視覺處理市場，處理能力的差異將直接導(dǎo)致產(chǎn)品的差異化。“這種差異不僅僅是應(yīng)對(duì)越來越高的分辨率，如16MP，UHD，還包括各種應(yīng)用功能的創(chuàng)新和新算法的演進(jìn)，以及在完成高處理性能情況下的電源效率。對(duì)此，Eran Briman表示，“我們認(rèn)為在完成上述性能和功耗挑戰(zhàn)的情況下，使用DSP進(jìn)行視頻和計(jì)算機(jī)視覺處理會(huì)比目前的CPU和GPU更有優(yōu)勢(shì)。為此，CEVA提出其DSP內(nèi)核平臺(tái)CEVA-MM3101，可應(yīng)用于包括移動(dòng)智能終端、安防、汽車等更廣泛IoT領(lǐng)域的視頻和計(jì)算機(jī)視覺處理，為這些領(lǐng)域的IoT終端實(shí)現(xiàn)差異化設(shè)計(jì)提供可能性。MM3101內(nèi)核具有高度可編程性、高性能及低功耗，為滿足最復(fù)雜圖像增強(qiáng)和計(jì)算機(jī)視覺處理所需的計(jì)算性能而設(shè)計(jì)?？煞謸?dān)設(shè)備主CPU的運(yùn)算負(fù)荷并替代多個(gè)用于高強(qiáng)度圖像和視覺處理任務(wù)的硬件加速器，也可大幅減少整體系統(tǒng)功耗，并提供充分的靈活性。MM3101平臺(tái)(圖3)不僅提供硬件層的DSP核，更提供軟件層的各類模塊，包括優(yōu)化后的視頻處理庫，和硬件開發(fā)工具套件以及應(yīng)用開發(fā)工具套件(ADK)，便于開發(fā)設(shè)計(jì)。其中，CEVA ADK包括為簡化軟件開發(fā)集成工作的 Android Multimedia Framework (AMF)、一套先進(jìn)軟件開發(fā)工具和一系列為DSP平臺(tái)優(yōu)化的軟件產(chǎn)品和程序庫。

MM3101平臺(tái)更建立了強(qiáng)大的生態(tài)環(huán)境。據(jù)Eran Briman介紹， “CEVA剛贏得一家最新的合作伙伴Novatek，將CEVA MM3101平臺(tái)應(yīng)用于其下一代面向監(jiān)控、攝像、汽車市場的SoCs中。除此之外，CEVA的合作伙伴還包括很多算法公司和軟件應(yīng)用公司。在所有合作伙伴的共同努力下，MM3101已可廣泛應(yīng)用于各類圖像增強(qiáng)算法應(yīng)用，如超分辨率圖像技術(shù)(Super Resolution)、HDR(High Dynamic Range)和數(shù)字視頻防抖器(Video Stabilizer)，也可應(yīng)用于各類自然用戶界面(Natural UI)與視覺算法應(yīng)用，如手勢(shì)識(shí)別(Gesture Recognition)、人臉識(shí)別(Face Recognition)和視線檢測(Gaze Detection/Eye Tracking)，更可應(yīng)用于先進(jìn)的汽車ADAS算法應(yīng)用，如前向防撞告警(FCW)、車道偏離告警(LDW)、行人偵測(PD)、深度圖等。”